Hydrogen Evolution Reactivity of Pentagonal Carbon Rings and p-d Orbital Hybridization Effect with Ru
eChemStore 碳中和產(chǎn)學研 2024年09月18日 11:30 北京
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論文擬解決的關鍵挑戰(zhàn)：
碳基框架不可避免地存在拓撲缺陷，其內(nèi)在或外在缺陷可以顯著改變碳層的電中性，從而導致不同的電化學性能，但其內(nèi)在的電催化活性和機制尚不清楚。內(nèi)在五邊形缺陷有可能成為有效的氧還原反應(ORR)活性位點。但其是否在析氫反應(HER)中作為活性位點發(fā)揮重要作用尚不清楚。此外，五邊形缺陷與錨定金屬之間的具體相互作用也是一個謎。
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圖文簡介：
針對上述挑戰(zhàn)，武漢理工大學的木士春研究員和朱加偉博士等人在Angewandte Chemie International Edition發(fā)表論文，該團隊從理論和實驗兩個方面系統(tǒng)地研究了碳中的五邊形環(huán)的反應性。理論計算表明，五角形環(huán)作為基面上的拓撲缺陷，可以收縮帶隙，優(yōu)化p帶中心，使碳基體具有中等的析氫反應(HER)活性。
為了提高反應性，作者通過C和Ru原子之間的p-d軌道雜化將Ru簇與富五方環(huán)碳(PRC)偶聯(lián)(Ru@PRC)，從而驅(qū)動電子從Ru簇向五邊形環(huán)快速轉(zhuǎn)移。缺電子的Ru導致Ru的d帶中心發(fā)生了明顯的負位移，減弱了它們與氫中間體的結(jié)合強度，從而提高了HER在不同pH介質(zhì)中的活性。
在電流密度為10 mA cm-2時，PRC大大降低了堿性HER過電位，從540 mV降至380 mV。Ru@PRC甚至表現(xiàn)出28和275 mV的低過電位，分別達到10和1000 mA cm-2的電流密度。令人印象深刻的是，在過電位為50 mV時，Ru@PRC的質(zhì)量活性是Pt/C的7.83倍。
本研究為碳納米材料的拓撲缺陷組裝和產(chǎn)氫提供了有力的指導，并對富缺陷碳基材料的內(nèi)在相互作用和催化活性來源有了深入的了解。
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修改于2024年09月21日